Mg和Zn含量變化對7005-T6合金組織和力學性能的影響

李僜諺，冉紅衛，王 帥，陳月雁

（1.西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326；2.中南大學材料科學與工程學院，長沙 401000）

0 前言

7005合金以其優異的焊接性能和變形性能而被廣泛應用在軌道交通和運輸等領域[1-4]。不同于商用7075和7050等Zn、Mg、Cu含 量 高 的 合 金，7005合金中Mg、Zn和Cu的含量都比較低。在峰時效過程中高Zn、Mg含量的7×××系鋁合金通常只出現一個析出峰，而低Zn、Mg的7005合金在時效過程中出現了兩個硬度峰，其中第一個硬度峰是由于GP區的大量析出引起的合金硬化，第二個硬度峰是由于η′相的大量析出引起的合金硬化[5-7]。相比于Cu、Ti、Mn等元素，控制GP區和η′相析出密度、尺寸和分布的主要是Zn和Mg元素[8-10]。

7×××系鋁合金的析出順序一般為：過飽和固溶體→原子團簇→GP區→η′相→η相。目前有研究指出，在η′相和η相之間還存在ηP相，并且這種析出相是比η′相更接近η相的一種中間變體[11-13]。目前關于η′相的結構還沒有完全確定，在Gang等人的研究[5-8]中指出其化學組成可能是Al4Mg3Zn2，并且GP區和η′相的含量與Zn、Mg含量有直接的關系。因此本文設計了4種不同成分的7005合金，并研究了Zn、Mg元素變化對該合金析出沉淀過程和力學性能的影響。

1 實驗材料和方法

實驗材料的測試成分見表1。采用電阻爐對合金進行熔煉，并在水冷鐵模內將其澆鑄成鑄錠。鑄錠經過均勻化和銑切處理后，熱軋成板材，變形量80%，熱軋溫度為420℃。熱軋后進行固溶處理，固溶溫度475℃，固溶時間1 h。固溶后在室溫下進行淬火，淬火溫度為27℃，然后盡快轉移到101A-3型熱風循環空氣爐中進行時效處理，盡量減少室溫停留時間對組織和性能的影響，最后測試其相關性能。硬度測試采用HV-5型小負荷維氏硬度計進行測試，載荷為0.5 kg，保載時間15 s。采用D60K數字金屬型渦流電導儀進行電導率測試，參照標準為GB/T 12966—91，其中0 h的電導率對應于合金淬火態的電導率。采用掃描電鏡對合金的斷口形貌進行觀察，采用TecnaiG2 20 ST透射電子顯微鏡對樣品進行TEM觀察，加速電壓為200 kV。

表1 實驗測試成分（質量分數/%）

2 實驗結果與討論

2.1 Zn、Mg含量變化對硬度和電導率的影響

時效處理過后，測試各組試樣的硬度值和電導率，相關結果見圖1。由圖可知，4種合金的峰時效都出現了兩個峰值，分別稱為峰1和峰2。已有的工作[5-6]表明，峰1以GP區為主要的強化相，峰2以η′相為主要強化相。由圖1還可知，當Zn的含量分別處于7005鋁合金的上限和下限時，合金的硬度均隨著Mg含量的增加而增大；并且隨著Mg含量的升高，合金到達峰時效的時間越來越短。這說明在7005合金成分范圍內，當Zn的含量不變時，Mg含量的增加都會使合金的硬度增大，并且使峰時效的時間提前。從電導率的測試結果可知，當Zn含量不變時，增加Mg的含量，合金淬火后的電導率均會降低，因此在7005合金成分范圍內，保持Zn含量不變，提高Mg含量有助于縮短合金峰時效時間。

圖1 不同成分合金硬度和電導率測試結果

由圖1可知，當Mg含量保持不變，Zn的含量分別處于7005鋁合金的上限和下限時，合金的硬度隨著Zn含量的升高略有增加，但合金的峰時效時長幾乎沒有變化。當合金的Mg含量為下限的1.15%時，隨著Zn含量的增加，合金達到峰時效的時間幾乎都是90 h，這說明Zn元素對合金時效響應速度和硬度的影響作用非常有限。從電導率的測試結果可知，當Mg含量不變時，隨著Zn含量的增加，合金淬火后的電導率均隨著Zn含量的增加而有小幅度的降低。

2.2 Zn、Mg含量變化對合金力學性能的影響

時效處理過后，測試各組試樣的力學性能，相關結果見表2。從表2的結果可知，這4種合金的峰2的抗拉強度、屈服強度都大于峰1的抗拉強度和屈服強度，而延伸率都小于峰1。合金在第一個峰時，主要以GP區為析出強化相，此時GP區和基體處于共格或半共格的狀態，以共格強化形式對合金進行強化，合金的強度較低，延伸率較高[14-15]。繼續時效到達第二個峰時，合金主要以η′亞穩相為主要強化相，η′相以彌散強化形式對合金進行強化，因此合金的強度提高，延伸率下降。

由表2的結果可知，當Zn含量保持不變，隨著Mg含量的升高，合金在峰1和峰2時的抗拉強度和屈服強度都會有較大的提高，而延伸率則會降低。這說明Mg含量的變化對7005鋁合金的峰時效強度有很明顯的影響。當Mg含量保持不變，隨著Zn含量的升高，合金在峰1和峰2時的抗拉強度和屈服強度都有小幅度的增加，延伸率則有小幅度的降低。

表2 不同成分合金力學性能

圖2是合金斷口的掃描圖。對比圖2（b）和圖2（d）可以看出，高Mg含量的合金2和合金4斷口都有很明顯的小韌窩和撕裂棱，這說明它們都是以穿晶斷裂為主；對比圖2（a）和圖2（c）可以看出，合金1和合金3的韌窩數量明顯減少，韌窩尺寸變大，撕裂棱也比合金2和合金4的少，并且斷口表面韌窩較深，是以穿晶為主的混合斷裂模式。

圖2 不同成分合金的斷口SEM

2.3 合金的微觀組織變化

從圖3所示的4種合金的TEM結果可以看出，這4種合金峰時效后晶內都分布著10 nm左右的棒狀和半徑大約為5 nm的盤狀析出相。根據研究[8-16]可知，析出相的主要類型為η′相。從對比中可以看出合金2和合金4的析出相密度明顯大于合金1和合金3，這說明Mg對7005合金析出相的密度和數量有較大的影響。對比合金1和合金3或合金2和合金4可以發現，當Mg含量保持不變，隨著Zn含量增加，合金晶內析出相的數量和密度增加很不明顯，說明Zn對合金晶內η′相的密度和尺寸影響較小。

圖3 不同成分合金晶內TEM

圖4是4種合金晶界的TEM照片。從對比中可以看出，合金1和合金3的晶界析出相密度低，尺寸較大，并且斷續分布，PFZ較窄；合金2和合金4的晶界析出相密度高，尺寸較小，分布連續，PFZ較寬。這說明Mg對合金晶界析出相的密度、尺寸和分布有較大的影響。

圖4 不同成分合金晶界TEM

3 討論

7005合金固溶處理時，溶質原子Mg、Zn等溶入基體形成置換式固溶體，由于溶質原子與基體原子尺寸有差異，金屬的晶體點陣發生畸變，從而使點陣常數發生變化。Zn的原子半徑比Al小，形成置換固溶體后合金的晶格常數略微減小，Mg的原子半徑比Al大，形成置換固溶體后，固溶體的點陣常數變大。根據文獻[14]，α（Al）基體中Zn的含量每增加1%，基體的點陣常數下降0.000075 nm；而Mg含量每增加1%，基體的點陣常數增加0.0004 nm，這說明Mg對點陣常數的影響比Zn的影響大得多。不同的晶格畸變會導致合金在固溶淬火后的形核質點、核數量及核驅動力均不同。Mg含量越高，固溶體的飽和度越大，淬火后形核質點越多，析出相從固溶體中分解的速度越快，因此高Mg含量合金的時效時間短。在成分范圍內，Zn含量變化對合金固溶體的飽和度影響較小，因此提高Zn含量，合金的峰時效時間變化較小。

根據鋁合金強化理論，合金的最終屈服強度σ0.2與晶粒的臨界分切應力和晶界強度有關，可以將各部分對強化的貢獻拆分如下[4]：

其中σ0表示純Al的強度；Δσd表示位錯強化對合金屈服強度的貢獻；Δσgb表示晶界強化；Δσss表示固溶強化；ΔσSRO和Δσm分別表示短程有序強化和模量強化；Δσp表示時效強化相對合金強度的貢獻。析出相對合金的貢獻可以表示為[17]：

式中G、b、R和fv分別表示剪切模量、伯格斯矢量、析出相的尺寸和體積分數，γ0表示位錯核心的半徑，v是泊松比。

可以看出合金析出相的尺寸越小，密度越大，合金的強度越高。從圖3中4種合金的晶內TEM照片可以看出，高Mg含量合金的析出相尺寸小，密度大，因此合金的強度高；Zn含量變化對合金的析出相密度和尺寸影響較小，因此合金的強度變化不大。

4 結論

在7005合金成分范圍內，Mg元素的含量變化對7005鋁合金T6峰時效的微觀組織和力學性能有明顯影響，而Zn元素含量變化的影響則較小，因此在實際生產中應嚴格控制合金中Mg的含量。通過本文的研究可以得出如下結論：

（1）在7005合金的成分范圍內，Mg對合金峰時效時間、硬度、電導率和強度影響較大，Zn的影響較小。

（2）高Mg含量的7005合金晶內析出相密度高，尺寸小，合金的強度較高，延伸率低；高Zn低Mg含量的7005合金晶內析出相密度低，尺寸大，合金的強度低，延伸率高。